رفتن به محتوای اصلی
x
طراحی و پیاده سازی سخت افزاری الگوریتم تبدیل فوریه سریع تنك
تاریخ دفاع
استاد

سيد مسعود سيدي

دانشکده
مهندسی برق و كامپیوتر

یکی از مسائل مهم در زمینه پردازش داده‌های دجیتال، محاسبه تبدیل فوریه داده‌های با ابعاد بزرگ است. پیاده سازی سخت افزاری تبدیل فوریه سریع برای کاربردهای گوناگون به ازای مقادیر N کوچکتر از 217 رایج است تا از مصرف بالای منابع تراشه جلوگیری گردد. در برخی از کاربردها همچون بعضی از انواع سنجش طیف فرکانسی، در حوزه مقصد تبدیل، اکثر نقاط داده برابر یا نزدیک صفر است (تنک است). در سالیان اخیر روشی جدید به نام تبدیل فوریه سریع تنک جهت تبدیل فوریه یا معکوس تبدیل فوریه چنین داده هایی ابداع و بر روی بسترهای سخت‌افزاری گوناگون پیاده سازی شده است. تبدیل فوریه سریع تنک در مقایسه با تبدیل فوریه سریع معمولی به کل نقاطداده در حوزه مبدأ تبدیل نیاز ندارد که به معنی به کارگیری مبدل های آنالوگ به دیجیتال ارزان در ورودی مدار محاسبه تبدیل است. هدف این پژوهش پیاده سازی سخت افزاری این واحد پردازشی با بهبود عملکرد آن نسبت به کارهای قبلی است. از تکنیک های اشتراک گذاری و استفاده مجدد از واحدهای محاسباتی، برای بهینه سازی طرح به لحاظ سرعت محاسبات و حجم سخت افزار استفاده شده است. خروجی نهائی سخت‌افزار، مکان و مقدار فرکانس‌های قابل ملاحظه در داده است. پیاده سازی سخت افزاری این واحد مبتنی بر الگوریتم کدگشایی سندرم می‌باشدکه بخش های اصلی محاسباتی آن واحد حل معادلات درجه مختلط ? و ?  و واحد دستگاه معادلات مختلط خطی است. طراحی، پیاده سازی و شبیه سازی سخت‌افزار از طریق نرم‌افزارهای Simulink، SimulinkHDL coder، Modelsim، ISE Xilinx، ActiveHDL به انجام رسیده است.  صحت سنجی نهایی سخت افزار با استفاده از مدل سطح پایین آن و چند تابع سنجش صورت گرفته است. توابع سنجش شامل داده‌های مختلف با طیف‌های فوریه متفاوت از نظر مکان فرکانس‌های قابل ملاحظه و مقدار ضریب فوریه آنها هستند. سخت‌افزار ارائه شده قادر به محاسبه با دقت بالای طیف فوریه داده یک میلیون نقطه‌ای حاوی حدود ??? فرکانس قابل ملاحظه در زمان حدود یک میلی ثانیه می باشد. در شرایط برابرکار حاضر با چند پژوهش مشابه مقایسه شده است که نسبت به سریع ترین آنها، 50 درصد افزایش سرعت به آمده است. میزان خطای به دست آمده کمتر از 0.01 درصد می باشد. این تبدیل با استفاده از تنها 5.6 درصد از کل نقاط حوزه زمان انجام می گردد که معادل با نمونه برداری در حوزه زمان با نرخی بسیار کمتر از نرخ نایکوئیست می باشد. درصورتی که تعداد فرکانس قابل ملاحظه بیشتر باشد، زمان محاسبات طولانی تر و برای تعداد فرکانس کمتر، زمان محاسبه سریع تر می گردد. در مقایسه با پژوهش‌های مشابه قبلی سخت‌افزار حاصل از نظر وفق پذیری نیز عملکرد بهتری دارد و میزان منابع مصرفی برابر با 20 درصد از Regs، 27 درصد از LUTs، 29 درصد از BRAMsو 31 درصد از DSP48s در تراشه XC6VLX240t   می باشد. اکثر منابع مصرفی سخت‌افزار مربوط به 7 مبدل فوریه سریع 8192  نقطه ای درون طرح است که با جایگزینی آنها با ساختارهای دیگر مبدل فوریه سریع می توان منابع مصرفی را کاهش داد. به علاوه با توجه به تحلیل های به دست آمده، قابلیت افزایش سرعت کل سخت افزار کماکان وجود دارد.

تحت نظارت وف ایرانی